De relatie tussen CO2 en temperatuur

Je komt ze zelfs in 2018 nog tegen, mensen die menen dat een verandering in de concentratie van het broeikasgas CO2 in de atmosfeer geen enkele invloed op de temperatuur heeft. Ze bestoken je met onduidelijke handgetekende grafiekjes of andere plaatjes van een dubieuze herkomst en verwijzen een paar eeuwen wetenschappelijk onderzoek en kennisopbouw simpelweg naar de prullenmand. Vanwege deze twitterervaringen en vragen die we via ons contactformulier krijgen, geven we hieronder een klein overzicht over de relatie tussen de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer en de temperatuur op onze aardbol.

Er is wel degelijk een verband tussen deze twee zaken en dat is al héél lang bekend. In de jaren twintig van de 19e eeuw realiseerde Fourier zich al dat de atmosfeer een invloed uit moest oefenen op de temperatuur van de aarde. In 1859 startte Tyndall met metingen aan het absorptievermogen van gassen, hij toonde aan dat CO2, waterdamp en ozon infraroodlicht (warmtestraling) absorberen. Bijna 40 jaar later berekende Arrhenius met de hand hoeveel opwarming een verdubbeling van de CO2-concentratie zou geven. De klimaatwetenschap is geen “jonge wetenschap” zoals sommigen beweren, maar een al oude en volwassen wetenschap.

De aarde ontvangt energie van de zon en – om qua temperatuur in evenwicht te blijven – moet de aarde net zoveel energie als ze ontvangen heeft weer uitstralen naar de ruimte. Dat doet de aarde in de vorm van infraroodlicht. Uit de natuurkunde is bekend dat broeikasgassen zoals CO2 de warmtestraling afkomstig van de aarde gedeeltelijk absorberen en dat zorgt ervoor dat de aarde moeilijker energie kan uitstralen naar het heelal, met als gevolg een hogere temperatuur dan zonder broeikasgassen. Meer CO2 in de atmosfeer zorgt voor meer absorptie van die uitgaande warmtestraling en dat zorgt op zijn beurt dus voor een toename van de temperatuur zoals we vanaf circa 1850-1900 ook zien in de metingen. Wetenschappers zoals Arrhenius voorspelden al eind 19e eeuw dat een toename van de CO2-concentratie tot opwarming moet leiden. Het was een wetenschappelijke voorspelling die vervolgens is uitgekomen, in plaats van een verklaring achteraf.

Als de aarde warmer wordt, zal de uitgestraalde energie naar het heelal weer toenemen zodat uiteindelijk een nieuw evenwicht bereikt wordt. Je kunt hierbij denken aan infraroodfoto’s: warmere voorwerpen stralen meer energie uit en zijn daardoor beter te zien op zo’n infraroodfoto. Ook al lijkt circa 410 ppm (dat is 0,041%) aan CO2 in de atmosfeer niet veel, toch heeft het een groot effect. Het grootste deel van de atmosfeer (stikstof en zuurstof) laat het infraroodlicht namelijk ongehinderd door. Zonder broeikasgassen was het bijvoorbeeld gemiddeld ongeveer 33 °C kouder op aarde. Hieronder een grafiek van NASA die de uitgestraalde energie van de aarde naar het heelal weergeeft. De dip in het midden wordt veroorzaakt door CO2 en als de CO2-concentratie in de atmosfeer toeneemt wordt deze dip breder. Waterdamp is eveneens een broeikasgas, maar de concentratie daarvan in de atmosfeer is gerelateerd aan de temperatuur. De opwarmende invloed van de infraroodlicht absorberende gassen in de atmosfeer staat bekend als het broeikaseffect en dit wordt versterkt door de menselijke emissies van de broeikasgassen: het versterkte broeikaseffect.

De stijging van de CO2-concentratie in de atmosfeer sinds de industriële revolutie van circa 280 ppm naar bijna 410 ppm nu (zie de grafiek hieronder) is volledig veroorzaakt door de mens. In de wetenschappelijke wereld twijfelt hier eigenlijk niemand meer over. Men weet dit o.a. doordat de stijging overeenkomt met de hoeveelheid fossiele grondstoffen die wij mensen opgestookt hebben. Tegelijkertijd zien we een afname van de zuurstofconcentratie in de atmosfeer, wat op verbrandingsprocessen wijst. Daarnaast wijzen de verschillende vormen van het koolstofatoom (de isotopen) in CO2 op een plantaardige herkomst zoals van fossiele grondstoffen. De planten en bomen en de oceanen helpen ons nog wel, want ongeveer de helft van het geproduceerde CO2 vangen zij jaarlijks weg. Echter met als negatief neveneffect dat het opgenomen CO2 in de oceanen zorgt voor oceaanverzuring.

Een argument dat je in dit verband wel eens tegenkomt is dat het in het verre geologische verleden misschien ooit koud is geweest terwijl de CO2-concentratie in de atmosfeer hoog was. Hierbij presenteert men dan soms een wel héél grofstoffelijk handgetekend grafiekje zoals deze hieronder. Een pixel in dat plaatje is al meteen iets van 1 miljoen jaar en in de laatste paar miljoen jaar heeft de wereld diverse ijstijden en interglacialen gekend, iets dat totaal onzichtbaar is in deze grafiek.

Dergelijke plaatjes zijn niet alleen grofstoffelijk en wellicht gewoon onjuist maar negeren ook het feit dat de concentratie aan broeikasgassen niet de enige factor is die van invloed is op de temperatuur op aarde, zeker niet op dergelijke lange tijdschalen. Zo straalde de zon honderden miljoenen jaren geleden veel minder energie uit dan nu. Daarnaast lagen in het verleden de continenten op andere plekken op aarde en het maakt nogal wat uit voor zonlichtreflectie of er bijvoorbeeld een groot continent met een witte ijskap bij een van de polen ligt of niet. Ook in het geologische verleden speelden veranderingen in de CO2-concentratie echter een grote rol, zie bijvoorbeeld de wetenschappelijke presentatie van professor Richard Alley over dat onderwerp onderaan dit blogstuk. Op kortere tijdschalen is er een verbluffend hoge correlatie tussen de CO2-concentratie en de temperatuur, zoals de figuur hieronder van de laatste 800.000 jaar laat zien. Overigens worden de ijstijden getriggerd door wijzigingen in de baan van de aarde om de zon en de rotatie-as van de aarde en mede versterkt door stijgingen en dalingen in de broeikasgasconcentraties.

De stijging van de broeikasgasconcentraties in de atmosfeer als gevolg van menselijke emissies heeft dus geleid tot een temperatuurstijging op aarde. Afhankelijk van de hoeveelheid broeikasgasgassen die wij mensen nog gaan produceren, zal de temperatuurstijging (en de oceaanverzuring) doorgaan en de gevolgen daarvan (zoals zeespiegelstijging) zullen tot ver in de toekomst hun stempel op de aarde drukken.

Een goed algemeen overzicht van de achtergrond van het klimaatprobleem in het Nederlands is hier te vinden:
http://www.pbl.nl/sites/default/files/cms/publicaties/PBL-2013-De-achtergrond-van-het-klimaatprobleem.pdf
Online bestaan er enkele goede introducties in de klimaatwetenschap: http://library.open.oregonstate.edu/climatechange/
http://www.climate.be/textbook/
Hieronder enkele video’s over de absorptie van infraroodlicht door CO2, het broeikaseffect, de invloed van de mens op de huidige opwarming en als laatste de presentatie van professor Richard Alley over de invloed van CO2 en het aardse klimaat.

Advertenties

5 Reacties op “De relatie tussen CO2 en temperatuur

  1. Ha Jos,
    Vooral die filmpjes zijn leuk. Het laatste filmpje uit 2009 (Richard Alley) is nog met flap-over achtige techniek gemaakt en hierboven komt Benjamin Burger met een MythBusters stijl. De wetenschappelijke boodschap is hetzelfde maar er lijkt bijna een kwart eeuw tussen te zitten. Grappig om te zien. (ik had hem al eerder gedeeld.)

    Goed van je om nog even een klein overzicht te geven.

  2. Er is ongetwijfeld een, sterk, verband tussen CO2-gehalte en de gemiddelde temperatuur. Maar dat de gemiddelde temperatuur van het oppervlakte zonder broeikaseffect 33 graden lager zou liggen klopt niet. Eigen onderzoek toont aan dat dit alleen waar is als de emissiviteit van het Aardoppervlak gelijk is aan 1. Dit is wel is waar vrijwel correct voor de emissiviteit van het oppervlakte naar de atmosfeer maar dit is verder niet relevant. Het gaat om de emissiviteit van het oppervlakte naar het heelal en dat is veel lager dan 1. Het is circa 0,6 en dan klopt de temperatuur zoals berekend door het Stefan-Boltzmann model prima met de gemeten waarde van ca. 15 graden Celsius.
    De link naar mijn onderzoek: https://raymondhorstman.wordpress.com/2017/11/11/het-ontwikkelen-van-een-simpel-model-om-het-verschil-in-temperatuur-karakteristieken-tussen-de-maan-en-de-aarde-te-verklaren/

  3. Beste Raymond Horstman,

    Hier is uiteraard allang rekening mee gehouden:

    Maar dat de gemiddelde temperatuur van het oppervlakte zonder broeikaseffect 33 graden lager zou liggen klopt niet. Eigen onderzoek toont aan dat dit alleen waar is als de emissiviteit van het Aardoppervlak gelijk is aan 1

    De effectieve stralingstemperatuur van de Aarde naar het heelal is volgens Stefan-Boltzmann:

    T= (S (1 – A) / σ) ^ 1/4

    waar A de albedo is van het aardoppervlak, namelijk 0,3.

    Met andere woorden: 30% van de inkomende zonnestraling wordt gereflecteerd en (1 – 0,3) = 70% wordt geabsorbeerd. S is de over het aardoppervlak en dag/nacht gemiddelde zonnestraling van 342 Watt/m^2 en σ is de constante van Stefan-Boltzmann.

    De “emissiviteit” van een zwarte straler (een ‘black body’ of een ‘grey body’) is gelijk aan 1 minus de albedo.

    Zie bijvoorbeeld: https://www.acs.org/content/acs/en/climatescience/energybalance/predictedplanetarytemperatures.html

  4. Zo te zien kan de CO2 toename / afname per periode evengoed het gevolg zijn van temperatuur toename / afname. Kip ei verhaal.

  5. @Smit

    CO2 is een broeikasgas en een toename van de concentratie daarvan in de atmosfeer leidt tot een temperatuurstijging. Vrijkomen van CO2 aan het einde van de ijstijd door opwarming, betekent op zijn beurt weer dat dat vrijgekomen CO2 voor meer opwarming zorgt.
    Meer over dat kip-ei verhaal kun je hier vinden:
    https://klimaatverandering.wordpress.com/2015/04/25/kip-en-ei-bij-co2-en-de-temperatuur/

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s